Gymnosperm and fern multifunctional bHLH transcription factors control stomatal development
이 연구는 겉씨식물과 양치식물의 bHLH 전사 인자가 기공 발달에서 폭넓고 중첩된 역할을 수행함을 입증하며, 이는 피자식물에서 나타나는 단계별 특수화가 이러한 조상형의 다기능적 역량을 점진적으로 분할함으로써 진화했다는 모델을 뒷받침한다.
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식물은 잎에 있는 기공이라고 불리는 작고 미세한 구멍을 통해 숨을 쉽니다. 이 구멍은 조절 가능한 문처럼 작동하여, 광합성을 위해 이산화탄소를 들여보내는 동시에 물이 빠져나가는 것을 막기 위해 닫히기도 합니다. 식물이 육상에서 생존하기 위해서는 이러한 문을 안정적으로 구축할 방법이 필요했습니다. 기공의 형성 과정은 하나의 표피 세포가 분열하여 개구부를 둘러싸는 한 쌍의 특화된 세포를 형성하는 정교하게 조절된 일련의 사건입니다. 속씨식물의 경우, 이 과정은 세 가지 서로 다른 단백질 스위치 팀에 의해 지시되는데, 각 스위치는 특정 순간마다 역할을 맡습니다. 하나는 과정을 시작하고, 하나는 중간 단계를 형성하며, 하나는 작업을 마무리합니다. 과학자들은 이 정밀한 3단계 시스템이 어떻게 진화했는지 오랫동안 궁금해해 왔습니다. 이 단백질들이 처음에 하나의 다목적 도구였다가 나중에 전문가로 나뉘었을까요, 아니면 현대 식물의 조상들은 이미 복잡한 팀을 갖추고 있었을까요?
이를 알아내기 위해 연구진은 속씨식물보다 앞선 두 가지 고대 식물 계통인 양치식물과 겉씨식물에 주목했습니다. 그들은 거대한 상록수인 노르웨이 가문비나무와 성장이 빠른 수생 식물인 물양치식물에 초점을 맞췄습니다. 이 종들의 유전 설계도를 조사함으로써, 연구팀은 세 개의 별도 유전자를 가진 속씨식물과 달리, 이 고대 식물들은 단 두 개의 유전자만을 가지고 있다는 사실을 발견했습니다. 한 유전자는 속씨식물의 '시작' 및 '중간' 단백질과 닮아 있었고, 다른 하나는 '마무리' 단백질과 닮아 있었습니다. 연구진은 이 두 고대 유전자가 세 가지 역할을 모두 수행할 수 있는지, 아니면 이미 전문화되기 시작했는지를 확인하고자 했습니다. 그들은 모델 식물인 애기장치의 세포에 이 고대 유전자들을 교체 삽입하여 식물의 발달이 어떻게 변하는지 관찰하는 일련의 실험을 수행했습니다.
결과는 고대 유전자들이 놀라울 정도로 다재다능하다는 것을 보여주었습니다. 연구진이 가문비나무나 양치식물의 '시작/중간' 유전자를 속씨식물에 도입했을 때, 이 유전자는 기공 형성 과정을 시작할 수 있었을 뿐만 아니라 세포를 발달의 중간 단계까지 밀어붙일 수 있었습니다. 실제로 이 단일 고대 유전자는 속씨식물에서 기공이 형성되지 않아야 할 곳에도 기능적인 구멍을 만들어낼 만큼 강력하여, 전체 과정을 시작부터 끝까지 주도할 수 있었습니다. 마찬가지로, 이 고대 식물의 '마무리' 유전자 또한 초기 단계의 역할을 수행할 수 있었지만, 다른 유전자에 비해 시작하는 능력은 떨어졌습니다. 이는 고대 식물의 단백질들이 경직된 전문가가 아님을 시사합니다. 대신, 이들은 공정의 여러 단계를 처리할 수 있는 넓고 중첩된 능력을 갖추고 있습니다. 이들은 기초를 닦고, 벽을 세우고, 지붕을 설치할 수 있는 일반 계약업자 같으며, 한 명은 기초만 닦고 다른 한 명은 지붕만 설치하는 세 명의 전문가 팀과는 다릅니다.
그러나 연구는 이 고대 단백질들이 완전히 동일하게 작동하는 것은 아니라는 점도 밝혀냈습니다. 가문비나무에서 두 유전자는 서로 다른 시간에, 약간 다른 장소에서 활성화됩니다. '시작/중간' 유전자는 세포가 처음 분열할 때 가장 활발하며, '마무리' 유전자는 더 오랜 기간 동안 활성화되어 기공이 성숙할 때까지 계속 작동합니다. 연구진이 가문비나무 자체에서 이 유전자들의 기능을 차단했을 때 나타난 효과도 뚜렷했습니다. '시작/중간' 유전자를 차단하면 최종 기공의 모양이 변했지만, '마무리' 유전자를 차단하면 기공 세포 자체의 모양이 변하고 세포벽의 화학적 구성이 바뀌었습니다. 이는 이 단백질들이 비상시에는 서로의 역할을 대신할 수 있지만, 자연스러운 역할에서는 이미 서로 분리되기 시작하여 각자 선호하는 시기와 방식이 조금씩 달라졌음을 나타냅니다.
이러한 발견은 복잡성이 어떻게 진화하는지에 대한 명확한 그림을 그려줍니다. 세 개의 유전자가 세 단계의 서로 다른 단계를 담당하는 현대 속씨식물의 뚜렷하고 엄격한 전문화는 갑자기 나타난 것이 아닙니다. 대신, 두 개의 유전자가 넓고 중첩된 능력을 공유하던 조상 상태로부터 점진적으로 나타났을 가능성이 높습니다. 시간이 흐르면서 공유된 임무는 서서히 나누어졌고, 각 유전자는 특정 단계에 더 효율적이 되면서 동시에 다른 단계를 처리하는 능력은 줄어들었습니다. 이 연구는 속씨식물의 정교한 3단계 시스템이, 유연한 2개 유전자 팀이 자신의 과업을 천천히 분할하여 더 전문화되고 효율적인 인력을 만들어낸 긴 진화의 여정의 결과임을 시사합니다. 넓고 중첩된 능력에서 엄격하고 단계별적인 역할로 나아가는 이러한 진행 과정은 식물이 육상에서 호흡하는 기술을 어떻게 터득했는지에 대한 잃어버린 연결 고리를 제공합니다.
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